Physics For Scientists And Engineers 6E - part 187

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 187

 

 

SECTION 24.2 •  Gauss’s Law

745

Quick Quiz 24.3

If the net flux through a gaussian surface is zero, the follow-

ing four statements could be true. Which of the statements must be true? (a) There are no
charges  inside  the  surface.  (b)  The  net  charge  inside  the  surface  is  zero.  (c)  The
electric field is zero everywhere on the surface. (d) The number of electric field lines
entering the surface equals the number leaving the surface.

Quick Quiz 24.4

Consider the charge distribution shown in Figure 24.9. The

charges contributing to the total electric flux through surface S* are (a) q

1

only (b) q

4

only (c) q

2

and q

3

(d) all four charges (e) none of the charges.

Quick  Quiz  24.5

Again  consider  the  charge  distribution  shown  in  Figure

24.9.  The  charges  contributing  to  the  total  electric  field at  a  chosen  point  on  the
surface S* are (a) q

1

only (b) q

4

only (c) q

2

and q

3

(d) all four charges (e) none of the

charges.

Conceptual Example 24.3 Flux Due to a Point Charge

A  spherical  gaussian  surface  surrounds  a  point  charge  q.
Describe  what  happens  to  the  total  flux  through  the
surface if 

(A)

the charge is tripled, 

(B)

the radius of the sphere is doubled, 

(C)

the surface is changed to a cube, and 

(D)

the  charge  is  moved  to  another  location  inside  the

surface.

Solution
(A) The  flux  through  the  surface  is  tripled  because  flux
is proportional to the amount of charge inside the surface.

(B) The flux does not change because all electric field lines
from  the  charge  pass  through  the  sphere,  regardless  of  its
radius.

(C) The  flux  does  not  change  when  the  shape  of  the
gaussian  surface  changes  because  all  electric  field  lines
from the charge pass through the surface, regardless of its
shape.

(D) The flux does not change when the charge is moved to
another  location  inside  that  surface  because  Gauss’s  law
refers to the total charge enclosed, regardless of where the
charge is located inside the surface.

another. The surface S* surrounds charges q

2

and q

3

; hence, the net flux through it is

(q

2

$

q

3

)//

0

Finally, the net flux through surface 0 is zero because there is no charge

inside this surface. That is, all the electric field lines that enter 0 at one point leave at
another. Notice that charge q

4

does not contribute to the net flux through any of the

surfaces because it is outside all of the surfaces.

Gauss’s law, which is a generalization of what we have just described, states that

the net flux through any closed surface is

(24.6)

where  q

in

represents  the  net  charge  inside  the  surface  and 

E represents  the  electric

field at any point on the surface.

A formal proof of Gauss’s law is presented in Section 24.5. When using Equation

24.6, you should note that although the charge q

in

is the net charge inside the gaussian

surface, 

E represents the total electric field, which includes contributions from charges

both inside and outside the surface.

In principle, Gauss’s law can be solved for 

E to determine the electric field due to a

system of charges or a continuous distribution of charge. In practice, however, this type of
solution is applicable only in a limited number of highly symmetric situations. In the next
section we use Gauss’s law to evaluate the electric field for charge distributions that have
spherical, cylindrical, or planar symmetry. If one chooses the gaussian surface surround-
ing the charge distribution carefully, the integral in Equation 24.6 can be simplified.

!

E

#

$

 

E"d

 

A #

q

 

in

/

0

PITFALL PREVENTION

24.1 Zero Flux is not Zero

Field

We  see  two  situations  in  which
there  is  zero  flux  through  a
closed  surface — either  there  are
no charged particles enclosed by
the  surface  or  there  are  charged
particles  enclosed,  but  the  net
charge inside the surface is zero.
For  either  situation,  it  is  incorrect
to conclude that the electric field
on the surface is zero. Gauss’s law
states that the electric flux is pro-
portional to the enclosed charge,
not the electric field.

Gauss’s law

746

CHAPTE R 24 •  Gauss’s Law

Example 24.4 The Electric Field Due to a Point Charge

Starting with Gauss’s law, calculate the electric field due to
an isolated point charge q.

Solution A  single  charge  represents  the  simplest  possible
charge  distribution,  and  we  use  this  familiar  case  to  show
how  to  solve  for  the  electric  field  with  Gauss’s  law.  Figure
24.10 and our discussion of the electric field due to a point
charge  in  Chapter  23  help  us  to  conceptualize  the  physical
situation.  Because  the  space  around  the  single  charge  has
spherical  symmetry,  we  categorize  this  problem  as  one  in
which  there  is  enough  symmetry  to  apply  Gauss’s  law.  To
analyze any Gauss’s law problem, we consider the details of
the electric field and choose a gaussian surface that satisfies
some or all of the conditions that we have listed above. We
choose a spherical gaussian surface of radius centered on
the point charge, as shown in Figure 24.10. The electric field
due to a positive point charge is directed radially outward by

symmetry  and  is  therefore  normal  to  the  surface  at  every
point. Thus, as in condition (2), 

E is parallel to dA at each

point. Therefore, 

E " dA # E dA and Gauss’s law gives

By symmetry, is constant everywhere on the surface, which
satisfies condition (1), so it can be removed from the inte-
gral. Therefore,

where  we  have  used  the  fact  that  the  surface  area  of  a
sphere is 4(r

2

. Now, we solve for the electric field:

To  finalize  this  problem,  note  that  this  is  the  familiar
electric field due to a point charge that we developed from
Coulomb’s law in Chapter 23.

What If?

What if the charge in Figure 24.10 were not at the

center of the spherical gaussian surface?

Answer In this case, while Gauss’s law would still be valid,
the  situation  would  not  possess  enough  symmetry  to  evalu-
ate the electric field. Because the charge is not at the center,
the  magnitude  of 

E would  vary  over  the  surface  of  the

sphere  and  the  vector 

E would  not  be  everywhere  perpen-

dicular to the surface.

k

e

 

 

 

q

r

  

2

#

q

4(/

0

r

 

2

#

$

  

E

  

dA E  

$

 

d

 

E

 

(4(

 

r

  

2

) #

q

 

/

0

!

E

#

$

  

E"d

 

A #

$

  

E

  

dA #

q

 

/

0

24.3 Application of Gauss’s Law to Various 

Charge Distributions

As  mentioned  earlier,  Gauss’s  law  is  useful  in  determining  electric  fields  when  the
charge distribution is characterized by a high degree of symmetry. The following exam-
ples demonstrate ways of choosing the gaussian surface over which the surface integral
given  by  Equation  24.6  can  be  simplified  and  the  electric  field  determined.  In
choosing the surface, we should always take advantage of the symmetry of the charge
distribution so that we can remove from the integral and solve for it. The goal in this
type of calculation is to determine a surface that satisfies one or more of the following
conditions:

1. The value of the electric field can be argued by symmetry to be constant over the

surface.

2. The dot product in Equation 24.6 can be expressed as a simple algebraic product

E dA because 

E and A are parallel.

3. The dot product in Equation 24.6 is zero because 

E and A are perpendicular.

4. The field can be argued to be zero over the surface.

All  four  of  these  conditions  are  used  in  examples  throughout  the  remainder  of  this
chapter.

PITFALL PREVENTION

24.2 Gaussian Surfaces

are not Real

A gaussian surface is an imaginary
surface  that  you  choose  to  satisfy
the conditions listed here. It does
not have to coincide with a physi-
cal surface in the situation.

Figure 24.10 (Example 24.4) The point charge is at the

center of the spherical gaussian surface, and 

E is parallel to A

at every point on the surface.

Gaussian

surface

r

q

dA

E

+

SECTION 24.3 •  Application of Gauss’s Law to Various Charge Distributions

747

Example 24.5 A Spherically Symmetric Charge Distribution

An insulating solid sphere of radius has a uniform volume
charge  density  1 and  carries  a  total  positive  charge  (Fig.
24.11).

(A)

Calculate the magnitude of the electric field at a point

outside the sphere.

Solution Because the charge distribution is spherically sym-
metric, we again select a spherical gaussian surface of radius
r, concentric with the sphere, as shown in Figure 24.11a. For
this choice, conditions (1) and (2) are satisfied, as they were
for the point charge in Example 24.4. Following the line of
reasoning given in Example 24.4, we find that

Note that this result is identical to the one we obtained for a
point charge. Therefore, we conclude that, 

for a uniformly

charged sphere, the field in the region external to the

sphere is equivalent to that of a point charge located at

the center of the sphere.

(B)

Find the magnitude of the electric field at a point inside

the sphere.

Solution In this case we select a spherical gaussian surface
having  radius  a, concentric  with  the  insulating  sphere
(Fig.  24.11b).  Let  us  denote  the  volume  of  this  smaller
sphere  by  *. To  apply  Gauss’s  law  in  this  situation,  it  is
important to recognize that the charge q

in

within the gauss-

ian surface of volume * is less than Q. To calculate q

in

, we

use the fact that q

in

#

1

*:

By  symmetry,  the  magnitude  of  the  electric  field  is
constant everywhere on the spherical gaussian surface and
is  normal  to  the  surface  at  each  point — both  conditions

q

 

in

#

1

V

 

* #

1

 

(

4

3

 

(

 

r

  

3

)

   

(for a)

k

e

 

 

Q

r

 

2

(1)

     

#

(1) and  (2)  are  satisfied.  Therefore,  Gauss’s  law  in  the
region gives

Solving for gives

Because

by definition and because k

e

#

1/4(/

0

,

this expression for can be written as

Note  that  this  result  for  differs  from  the  one  we

obtained  in  part  (A).  It  shows  that  : 0  as  : 0.
Therefore,  the  result  eliminates  the  problem  that  would
exist at # 0 if varied as 1/r

2

inside the sphere as it does

outside  the  sphere.  That  is,  if  2 1/r

2

for  a,  the  field

would be infinite at # 0, which is physically impossible.

What  If?

Suppose  we  approach  the  radial  position  r $ a

from inside the sphere and from outside. Do we measure the
same value of the electric field from both directions?

Answer From  Equation  (1),  we  see  that  the  field
approaches a value from the outside given by

From the inside, Equation (2) gives us

Thus, the value of the field is the same as we approach the
surface from both directions. A plot of versus is shown in
Figure 24.12. Note that the magnitude of the field is contin-
uous, but the derivative of the field magnitude is not.

# lim

a 

%

k

e

 

 

Q

a

 

3

 

 r

&

#

k

e

 

 

Q

a

 

3

 

 

k

e

  

Q

a

 

2

# lim

a 

%

k

e

 

 

Q

r

 

2

&

#

k

e

 

 

Q

a

 

2

   

(for a)

k

e

 

 

Q

a

 

3

 

 r

(2)

     

#

Qr

4(/

0

a

 

3

#

1 #

/

4

3

 

(

a

3

#

q

 

in

4(/

0

r

 

2

#

1

(

4

3

(

r

 

3

)

4(/

0

r

 

2

#

1

3/

0

 

 r

$

  

E

  

dA E  

$

 

dA E (4(r

 

2

) #  

q

 

in

/

0

(a)

Gaussian

sphere

(b)

Gaussian

sphere

r

a

r

a

Figure 24.11 (Example 24.5) A uniformly charged insulating

sphere of radius and total charge Q. (a) For points outside the

sphere, a large spherical gaussian surface is drawn concentric

with the sphere. In diagrams such as this, the dotted line

represents the intersection of the gaussian surface with the

plane of the page. (b) For points inside the sphere, a spherical

gaussian surface smaller than the sphere is drawn.

a

E

a

r

=

k

e

Q

r

2

=

k

e

Q

a

3

r

Figure 24.12 (Example 24.5) A plot of versus for a uniformly

charged insulating sphere. The electric field inside the sphere

(a) varies linearly with r. The field outside the sphere (a)

is the same as that of a point charge located at # 0.

At the Interactive Worked Example link at http://www.pse6.com, you can investigate the electric field inside and outside
the sphere.

Interactive

748

CHAPTE R 24 •  Gauss’s Law

Example 24.6 The Electric Field Due to a Thin Spherical Shell

A thin spherical shell of radius has a total charge distrib-
uted  uniformly  over  its  surface  (Fig.  24.13a).  Find  the
electric field at points

(A)

outside and

(B)

inside the shell.

Solution

(A) The calculation for the field outside the shell is identical
to  that  for  the  solid  sphere  shown  in  Example  24.5a.  If  we
construct a spherical gaussian surface of radius concen-
tric with the shell (Fig. 24.13b), the charge inside this surface
is Q. Therefore, the field at a point outside the shell is equiv-
alent to that due to a point charge located at the center:

(B) The  electric  field  inside  the  spherical  shell  is  zero.  This
follows  from  Gauss’s  law  applied  to  a  spherical  surface  of
radius concentric with the shell (Fig. 24.13c). Because of
the  spherical  symmetry  of  the  charge  distribution  and
because the net charge inside the surface is zero—satisfaction
of  conditions  (1)  and  (2)  again—application  of  Gauss’s
law shows  that  # 0  in  the  region a.  We  obtain  the
same results  using  Equation  23.11  and  integrating  over  the
charge  distribution.  This  calculation  is  rather  complicated.
Gauss’s  law  allows  us  to  determine  these  results  in  a  much
simpler way.

   

(for a)

k

e

 

 

Q

r

  

2

#

Example 24.7 A Cylindrically Symmetric Charge Distribution

Find  the  electric  field  a  distance  from  a  line  of  positive
charge  of  infinite  length  and  constant  charge  per  unit
length 3 (Fig. 24.14a).

Solution The  symmetry  of  the  charge  distribution
requires  that

E be  perpendicular  to  the  line  charge  and

directed  outward,  as  shown  in  Figure  24.14a  and  b.  To
reflect the symmetry of the charge distribution, we select a
cylindrical gaussian surface of radius and length ! that is
coaxial  with  the  line  charge.  For  the  curved  part  of  this
surface, 

E is constant in magnitude and perpendicular to

the  surface  at  each  point—satisfaction  of  conditions
(1) and  (2).  Furthermore,  the  flux  through  the  ends  of
the  gaussian  cylinder  is  zero  because 

E is  parallel  to

these surfaces—the  first  application  we  have  seen  of
condition (3).

We  take  the  surface  integral  in  Gauss’s  law  over  the

entire gaussian surface. Because of the zero value of 

E " dA

for  the  ends  of  the  cylinder,  however,  we  can  restrict  our
attention to only the curved surface of the cylinder.

The  total  charge  inside  our  gaussian  surface  is  3!.

Applying  Gauss’s  law  and  conditions  (1)  and  (2),  we  find
that for the curved surface

The area of the curved surface is 2(r!; therefore,

(24.7)

Thus,  we  see  that  the  electric  field  due  to  a  cylindrically
symmetric  charge  distribution  varies  as  1/r,  whereas  the
field external to a spherically symmetric charge distribution
varies  as  1/r

2

.  Equation  24.7  was  also  derived  by  integra-

tion  of  the  field  of  a  point  charge.  (See  Problem  35  in 
Chapter 23.)

2k

e

 

 

3

r

#

3

2(/

0

r

#

E (2(r

 

!

) #

3

!

/

0

!

E

#

$

  

E"d

 

A # E  

$

 

dA E

 

#

q

 

 

in

/

0

#

3

!

/

0

Figure 24.13 (Example 24.6) (a) The electric field inside a uniformly charged

spherical shell is zero. The field outside is the same as that due to a point charge Q

located at the center of the shell. (b) Gaussian surface for a. (c) Gaussian surface

for a.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

E

Gaussian

sphere

a

a

r

a

Gaussian

sphere

(a)

(c)

(b)

E

in

 = 0

r

 

 

 

 

 

 

 

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